DE69628406T2 - Generation of mechanical force by expansion of liquid into vapor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gewinnen von mechanischer Leistung aus der Expansion einer Flüssigkeit oder eines nassen Dampfes zu Dampf mittels einer Verdrängungsmaschine.The invention relates to a method and a device for extracting mechanical power the expansion of a liquid or a wet steam to steam by means of a displacement machine.
Der hier verwendete Ausdruck Verdrängungsmaschinerie bezieht sich auf eine Maschine oder eine Reihe von zwei oder mehreren Maschinen, bei der oder bei jeder davon mindestens eine Kammer zum Fassen eines Arbeitsfluids zyklisch die folgenden Schritte durchläuft: Aufnehmen einer Füllung des Arbeitsfluids, Schliessen, Vergrößern oder Verkleinern von deren Volumen, Öffnen zur Abgabe der Arbeitsflüssigkeitsfüllung und danach Verringern bzw. Erhöhen ihres Volumens, und zwar auf den Wert, der am Beginn des Zyklus erreicht wurde. Das eingebaute Volumenexpansionsverhältnis, wie es hierin in Bezug auf eine als Expansionseinrichtung verwendete Verdrängungsmaschine verwendet wird, ist das Verhältnis des Maximalvolumens einer Arbeitskammerknapp knapp vor dem Öffnen, zu deren Volumen zu dem Zeitpunkt, bei dem die Kammer geschlossen wird.The term extrusion machinery used here refers to a machine or a series of two or more Machines in which or with each of them at least one chamber for Collecting a working fluid cyclically goes through the following steps: a filling of the working fluid, closing, enlarging or reducing thereof Volume, opening for dispensing the working fluid filling and then decrease or increase of their volume, namely to the value at the beginning of the cycle was achieved. The built-in volume expansion ratio, like it used herein with respect to one as an expansion device displacement machine is the ratio of the maximum volume of a working chamber just before opening their volume at the time the chamber is closed.
Wenn die Maschinerie aus zwei oder mehreren Verdrängungsmaschinen besteht, die in Reihe angeordnet sind, ist das eingebaute Volumenexpansionsverhältnis der Maschinerie das Produkt der eingebauten Volumenexpansionsverhältnisse der einzelnen Maschinen.If the machinery consists of two or several displacement machines , which are arranged in series, the built-in volume expansion ratio is the Machinery the product of built-in volume expansion ratios of the individual machines.
Es ist wohl bekannt, dass die meisten Verdrängungsmaschinen, die als Verdichter verwendet werden, auch in umgekehrter Weise als Expansionseinrichtungen arbeiten können, um eine mechanische Leistungsabgabe zu erzeugen. Folglich wurden typischerweise Doppelschrauben-, Einzelschrauben-, Spiral-, Schaufel- und Kolbenmaschinen sämtlich dafür vorgeschlagen oder auf diese Weise betrieben.It is well known that most Displacement machines, which are used as compressors, also in reverse as Expansion devices can work to provide mechanical power output to create. Consequently, double screw, single screw, Spiral, shovel and piston machines all suggested for or on top of them Operated wisely.
Jedoch wurden in vielen Fällen, wenn derartige Maschinen als Expansionseinrichtungen arbeiteten, deutlich niedrigere Wirkungsgrade erreicht als jene, die erwartet wurden, insbesondere wenn sie zum Expandieren von gesättigten Flüssigkeiten oder nassen Dämpfen verwendet wurden. Die US-Patentschrift Nr. 3 751 673 (Sprankle) beschreibt das Konzept des Verwendens einer Lysholm-Doppelschraubenmaschine zum Expandieren von unter Druck stehenden, heißen Wassers in der Form von geothermischen Solen. In diesem Fall wurden trotz eines größeren Forschungsprogramms maximale adiabatische Wirkungsgrade von etwas über 50% erreicht, während Werte bis zu 75% erwartet wurden, siehe J. Kestin, "Sourcebook on the production of electricity from geothermal energy", DOE/RA/28320-2, August 1982; R. F. Steidel, H. Weis und J. E. Flower, "Characteristics of the Lysholm engine as tested for geothermal applications in the Imperial Valley", J Eng for Power, v 104, S. 231–240, Januar 1982; und R. J. LaSala, R. McKay, P. A. Borgo und J. Kupar, "Test and Demonstration of 1-MW Wellhead Generator: Helical Screw Expander Power Plant, Model 76–1, "Report to the International Energy Agency. DOE/CE-0129 U.S. Department of Energy Div of Geothermal and Hydropower Technology, Washington, D. C. 20585, 1985.However, in many cases, though such machines worked as expansion devices, clearly achieved lower efficiencies than those expected especially when used to expand saturated liquids or wet vapors were. U.S. Patent No. 3,751,673 (Sprankle) describes the concept of using a Lysholm twin screw machine for expanding hot water under pressure in the form of geothermal brines. In this case, despite a larger research program maximum adiabatic efficiencies of just over 50% reached while values up to 75% were expected, see J. Kestin, "Sourcebook on the production of electricity from geothermal energy ", DOE / RA / 28320-2, August 1982; R.F. Steidel, H. Weis and J.E. Flower, "Characteristics of the Lysholm engine as tested for geothermal applications in the Imperial Valley ", J Eng for Power, v 104, pp. 231-240, January 1982; and R.J. LaSala, R. McKay, P.A. Borgo and J. Kupar, "Test and Demonstration of 1 MW Wellhead Generator: Helical Screw Expander Power Plant, Model 76-1, "Report to the International Energy Agency. DOE / CE-0129 U.S. Department of Energy Div of Geothermal and Hydropower Technology, Washington, D.C. 20585, 1985.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 0 082 671 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gewinnen von mechanischer Leistung aus der Expansion eines Arbeitsfluids von einem ersten Druck zu einem zweiten, niedrigeren Druck, wobei die Vorrichtung eine Verdrängungsmaschinerie aufweist. Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Vorrichtung, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist. Gemäß einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren, wie es in Anspruch 3 beansprucht ist.European Patent Application No. 0 082 671 describes a method and an apparatus for winning of mechanical power from the expansion of a working fluid from a first pressure to a second, lower pressure, where the device is a displacement machine having. According to one In the first aspect, the invention provides a device as described in Claim 1 is claimed. According to one second aspect, the invention provides a method as claimed 3 is claimed.
Das Ausschließen von Wasser ergibt sich aus seinem sehr hohen Volumenexpansionsverhältnis von dem flüssigen Zustand zu dem dampfförmigen Zustand, das bei normalen Kraftwerkskondensationstemperaturen in der Größe von mehreren Tausend liegt.Water is excluded from its very high volume expansion ratio from the liquid state to the vaporous Condition that at normal power plant condensation temperatures the size of several Thousand lies.
Die Erfindung wird beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen weiter beschrieben, wobei gilt:The invention is exemplified with Further described with reference to the accompanying drawings, where:
Ein zylinderförmiger Rotor
Bei der Verwendung als Verdichter
folgen die Prozesse, die bei einer Gas- oder Dampfverdichtung beteiligt
sind, dem in
Die Massenstromrate durch die Maschine ist größtenteils durch das von der Maschine überstrichene Volumen bestimmt. In der Praxis ist das wahre induzierte Volumen geringfügig niedriger als der überstrichene Wert auf Grund einer Rückwärts-Leckströmung des Fluids zwischen den Schaufeln, den Rotoren oder dem Kolben und dem Gehäuse in das Füllvolumen, was durch den Druckradienten, der durch den Verdichtungsprozess erzeugt wird, induziert wird. Diese Differenz wird als Volumenwirkungsgrad oder als Verhältnis des induzierten Fluidvolumens zu dem überstrichenen Volumen in der Maschine während des Füllprozesses ausgedrückt. Bei Verdichtern des Schraubentyps, wo das Freiraumvolumen vernachlässigbar ist, kann dieses bei der Größe von 95% liegen.The mass flow rate through the machine is mostly by the volume swept by the machine certainly. In practice, the true induced volume is slightly lower than the swept value due to a backward leakage flow of the Fluids between the blades, the rotors or the piston and the casing in the filling volume, what by the pressure gradient, by the compression process is generated, induced. This difference is called volume efficiency or as a relationship of the induced fluid volume to the swept volume in the Machine during the filling process expressed. For screw type compressors where the free space is negligible this can be at the size of 95% lie.
Bei Verdichtern kann das eingebaute
Volumenexpansionsverhältnis
näherungsweise
als der Wert ausgewählt
werden, der benötigt
wird, um den Druck von einem Ansaugwert zu einem Abgabewert gemäß der Beziehung
von Druck zu Volumen, die für
den angenommenen Verdichtungsprozess geeignet ist, zu erhöhen, d.
h. mit oder ohne Flüssigkeitseinspritzung
oder externe Wärmeübertragung.
Falls der angenommene Wert nicht richtig ist, gibt es an der Position
(R) in dem Verdichtungsprozess, wo der Abgabeprozess beginnt, entweder
eine zu hohe Druckbeaufschlagung des Fluids, wie in
Im Falle von Verdrängungsmaschinen,
die als Expansionseinrichtungen verwendet werden, wäre es ein
vernünftiger
Anfangspunkt für
die Konstruktion, anzunehmen, dass die Abfolge der beteiligten Prozesse ungefähr umgekehrt
zu denen des Verdichters ist, wie es in
Die Unterschiede zwischen den Prozessen,
die von der Annahme eines umgekehrten Verdichters hergeleitet werden,
sind in
Erstens
kann man sehen, dass der Füllprozess
TU mit einem signifikanten Druckabfall und folglich einer Expansion
verbunden ist. Dies geschieht, da das Fluid, das durch eine Einlassöffnung beschleunigt
wird, Bewegungsenergie erhält.
Dieser Bewegungsenergieanstieg ist bei nassen Fluiden viel größer als
bei Gasen, da die nassen Fluide viel dichter sind.
Zweitens
folgt, da das Fluid an dem Ende der Maschine mit dem hohen Druck
eingelassen wird, dass die induzierte Fluidmasse stark von dem eingebauten
Volumenexpansionsverhältnis
abhängt
und zunimmt, während
das Volumenverhältnis
verringert wird. In diesem Fall tritt eine Leckströmung in
der gleichen Richtung wie die Fluidmengenströmung auf. Folglich expandiert
das Fluid durch die Freiräume
zwischen den Schaufeln, den Rotoren oder den Kolben und dem Gehäuse sogar,
wenn sich der Rotor der Expansionseinrichtung nicht dreht oder die
Kolben nicht verlagert werden. Folglich ist die induzierte Volumenströmungsrate
höher als
das durch die Schaufeln, die Rotoren oder die Kolben während des
Füllprozesses überstrichene
Volumen. Die Leckrate hängt
hauptsächlich
von den Freiräumen
zwischen den Schaufeln, den Rotoren oder den Kolben und dem Gehäuse ab und
ist größtenteils
von dem eingebauten Volumenexpansionsverhältnis und der eingebauten Volumenexpansionsgeschwindigkeit
unabhängig.
Es folgt, dass, falls das eingebaute Volumenexpansionsverhältnis verringert
wird, die Leckströmung
ein kleinerer Anteil des Ge samtstroms wird und folglich sein Einfluss
auf die Maschinenleistung reduziert ist.The differences between the processes derived from the assumption of an inverted compressor are shown in
First, it can be seen that the filling process TU is associated with a significant pressure drop and consequent expansion. This happens because the fluid, which is accelerated through an inlet opening, receives kinetic energy. This increase in kinetic energy is much greater with wet fluids than with gases, since the wet fluids are much denser.
Secondly, since the fluid is admitted to the end of the machine at the high pressure, the induced mass of fluid strongly depends on the built-in volume expansion ratio and increases as the volume ratio decreases. In this case, leakage flows in the same direction as the fluid flow. As a result, the fluid expands through the clearances between the blades, the rotors, or the pistons and the housing even when the rotor of the expansion device is not rotating or the pistons are not being displaced. Consequently, the induced volume flow rate is higher than the volume swept by the blades, rotors or pistons during the filling process. The leak rate mainly depends on the clearances between the blades, the rotors or the pistons and the housing and is largely independent of the built-in volume expansion ratio and the built-in volume expansion speed. It follows that if the built-in volume expansion ratio is reduced, the leakage flow becomes a smaller part of the total flow and consequently its influence on the machine performance is reduced.
Während die Geschwindigkeit der Expansionseinrichtung erhöht wird, wird zusätzlich die Bewegungsenergiezunahme des Fluids beim Strömen durch die Einlassöffnung größer. Folglich steigen der Druckabfall und die Expansion, die mit dem Füllprozess verbunden sind. Die Dichte des induzierten Fluids wird darum reduziert, und daher steigt der Massenstrom durch die Maschine nicht so schnell, wie man durch Erhöhen der Maschinengeschwindigkeit erwarten würde.While the speed of the expansion device is increased, will be additional the kinetic energy increase of the fluid when flowing through the inlet opening is greater. consequently the pressure drop and expansion increase with the filling process are connected. The density of the induced fluid is therefore reduced and therefore the mass flow through the machine does not increase as quickly, how to increase the machine speed would expect.
In
In
Ein weiteres Merkmal, das die Leistung aller Verdrängungsmaschinen beeinflusst, ob sie in dem Expansionsmodus oder in dem Verdichtermodus arbeiten, ist innere Reibung. In allen Fällen steigen die damit verbundenen Wirkungsgradverluste mit der Geschwindigkeit. Die beste Konstruktion einer Expansionseinrichtung wird darum einen Kompromiss zwischen der Notwendigkeit nach einer hohen Geschwindigkeit, um Leckverluste zu minimieren, und einer niedrigen Geschwindigkeit, um Reibung zu minimieren, ein großes eingebautes Volumenexpansionsverhältnis, um Verluste auf Grund von Unterexpansion zu verringern, und ein kleines Volumenverhältnis, um die Bedeutung von Leckeffekten zu minimieren, umfassen, während der Massestrom maximiert wird und dadurch die Größe der Expansionseinrichtung auf einem Minimum gehalten wird.Another characteristic that is performance of all displacement machines affects whether they are in the expansion mode or in the compressor mode working is internal friction. In all cases, the associated increases Loss of efficiency with speed. The best construction an expansion device is therefore a compromise between the need for high speed to avoid leakage minimize, and a low speed to reduce friction minimize a big one built-in volume expansion ratio to make up for losses of under expansion, and a small volume ratio to decrease to minimize the importance of leakage effects during the Mass flow is maximized and thereby the size of the expansion device is kept to a minimum.
Das optimale eingebaute VolumenexpansionsverhältnisThe optimal built-in volume expansion ratio
Da man sich Leistungseinbußen sowohl durch Überexpansion als auch durch Unterexpansion zuzieht, könnte man darum folgern, dass die besten Ergebnisse erhalten werden, wenn der Druck am Ende der Expansion genau dem benötigten Abgabedruck entspricht. In der Praxis gibt es für eine gegebene Maschinengröße, die bei einer spezifizierten Geschwindigkeit arbeitet, eine Wahl zwischen einem niedrigen eingebauten Volumenexpansionsverhältnis mit einer infolgedessen hohen induzierten Massenströmung und relativ niedrigen Leckverlusten, aber einigen Verlusten auf Grund von Unterexpansion, und einem höheren eingebauten Volumenexpansionsverhältnis mit einer niedrigeren induzierten Massenströmungsrate und höheren Leckverlusten, aber einem geringen oder keinen Verlust auf Grund von Unterexpansion. Ein Erhöhen der Drehzahl erhöht die innere Expansion des Füllprozesses und erlaubt damit ein noch niedrigeres eingebautes Volumenexpansionsverhältnis, aber erhöht die Reibungsverluste. Wenn alle diese Effekte gleichzeitig betrachtet werden, hat man herausgefunden, dass, falls etwas Unterexpansion zugelassen wird, Konstruktionen für eine hohe Drehzahl und einem niedrigen eingebauten Volumenexpansionsverhältnis, das niedriger ist als das für Alternativen mit einer vollständigen Expansion bei niedriger Drehzahl benötigte, die höchsten adiabatischen Gesamtwirkungsgrade erreichen. Wenn die Auswirkung der Expansion während des Füllprozesses einbezogen wird, wird klar, dass das benötigte eingebaute Volumenexpansionsverhältnis für eine optimale Größe und einen optimalen Wirkungsgrad viel niedriger ist als das des Gesamtexpansionsprozesses vom Eintritt in die Maschine zum Austritt aus der Maschine.Because you look at both performance losses through overexpansion as well as underexpansion, one could conclude that The best results are obtained when the pressure at the end of the Expansion exactly what is needed Discharge pressure corresponds. In practice, for a given machine size, there is that working at a specified speed, a choice between with a low built-in volume expansion ratio a consequently high induced mass flow and relatively low leakage losses, but some losses due to under-expansion, and a higher built-in Volume expansion ratio with a lower induced mass flow rate and higher leakage losses, however little or no loss due to under-expansion. An increase the speed increases the internal expansion of the filling process and thus allows an even lower built-in volume expansion ratio, however elevated the friction losses. If all of these effects are considered at the same time , it has been found that if there is some underexpansion is allowed designs for high speed and one low built-in volume expansion ratio, which is lower than that for Alternatives with a complete Low speed expansion needed the highest adiabatic Achieve overall efficiency. If the impact of expansion while the filling process is included, it becomes clear that the built-in volume expansion ratio required for an optimal Size and one optimal efficiency is much lower than that of the overall expansion process from entering the machine to exiting the machine.
Numerische Werte für diese Differenz erhält man, wenn man das Ersetzen eines Drosselventils in zwei großen industriellen Kühleinheiten entweder durch eine Einschraubenexpansionseinrichtung oder durch eine Zweischraubenexpansionseinrichtung betrachtet, um mechanische Leistung zu erzeugen.Numerical values for this Difference one when you are replacing a throttle valve in two large industrial cooling units either by a single screw expansion device or by considered a two-screw expander to mechanical Generate power.
Die in
Herkömmlicherweise würde das
Flüssigkühlmittel
seinen Druck reduzieren, indem es durch ein Drosselventil
Das Gesamtvolumenverhältnis einer Expansion eines Verdichters kann als das Verhältnis des spezifischen Volumens am Auslass zu dem spezifischen Volumen am Einlass des Verdichters definiert werden, wobei das spezifische Volumen das Volumen einer Substanz pro Masseeinheit ist.The total volume ratio of one Expansion of a compressor can be called the ratio of the specific volume at the outlet to the specific volume at the inlet of the compressor can be defined, where the specific volume is the volume of a Is substance per unit of mass.
In beiden Fällen wurde geschätzt, dass die adiabatischen Wirkungsgrade der Expansionseinrichtungen über 75% sind.In both cases it was estimated that the adiabatic efficiency of the expansion devices over 75% are.
Zusätzlich zum Ersetzen des Drosselventils
bei industriellen Kühlmaschinen
können
Verdrängungsexpansionseinrichtungen
für die
gleiche Funktion bei großen
Wärmepumpen
und Kühlhäusern auf
identische oder ähnliche
Weise verwendet werden, wie beispielsweise in
Bei der in
Die Flüssigkeit der Separationseinrichtung
Der Kreis
Derartige Maschinen können auch
als die Hauptexpansionseinrichtung in einem System zur Wiedergewinnung
von Energie von Wärmequellen
niedriger Oualität,
beispielsweise geothermischer Solen, verwendet werden, die von den
Erfindern als das trilaterales Schnellverdampfungszyklus (Trilateral
Flash Cycle – TFC)
-System bezeichnet werden. In
Folglich wurde ein Gesamtvolumenexpansionsverhältnis von 34,8 : 1 bei zwei Stufen mit einem eingebauten Gesamtvolumenverhältnis von nur 11,5 : 1 erreicht, was zu einem relativen Verhältnis von 11,5/34,8 = 33% führt.As a result, a total volume expansion ratio of 34.8: 1 for two stages with a built-in total volume ratio of only reached 11.5: 1, resulting in a relative ratio of 11.5 / 34.8 = 33% leads.
Unter Berücksichtigung von inhärenten Wiedererwärmungseffekten bei mehrstufigen Expansionseinrichtungen beträgt der adiabatische Gesamtwirkungsgrad dieser Expansionsanordnung 82,2%, wobei der Wert gut mit dem einer Trockendampfturbine von gleichwertiger Leistungsabgabe übereinstimmt. Man stellt fest, dass derartig hohe Wirkungsgrade nicht mit Schraubverdichtern erhalten werden können, die direkt über gleiche Druckdifferenzen arbeiten, und dass die Nettosystemabgabe um 35% höher ist als die, die für ein alternatives konventionelles Kraftwerk, das für die gleiche Funktion angeboten wird, geltend gemacht wird.Taking inherent reheating effects into account for multi-stage expansion devices, the overall adiabatic efficiency is this expansion arrangement 82.2%, the value well with the one Dry steam turbine of equivalent power output matches. It is found that such high levels of efficiency cannot be achieved with screw compressors can be obtained the directly above same Pressure differences work and that the net system levy by 35% is higher than those for an alternative conventional power plant that works for the same Function is offered, is asserted.
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